多层微晶玻璃电容器及其制备方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911238426.X (22)申请日 2019.12.06 (71)申请人 电子科技大学 地址 611731 四川省成都市高新区 （西区） 西源大道2006号 (72)发明人 魏猛张继华陈宏伟高丽彬 (74)专利代理机构 电子科技大学专利中心 51203 代理人 吴姗霖 (51)Int.Cl. H01G 4/08(2006.01) H01G 4/30(2006.01) C03C 10/00(2006.01) C03B 5/16(2006.01) C03B 25/00(20

2、06.01) C03B 32/02(2006.01) (54)发明名称 一种多层微晶玻璃电容器及其制备方法 (57)摘要 一种多层微晶玻璃电容器及其制备方法， 属 于脉冲功率技术领域。 所述多层微晶玻璃电容器 为 “介质层/(电极层/介质层)n” 的多层结构， n为 大于1的正整数， 介质层为微晶玻璃； 微晶玻璃各 组分及其质量百分比为： a(K2O-Na2O-Li2O)-b (xSrO-(1-x)BaO)-cAl2O3-dNb2O5-eSiO2-fB2O3， 0 x1， 其中， 5wta20wt， 10wtb 30wt， 1wtc10wt， 20wtd 40wt， 20wte50wt， 0w

3、tf 10wt。 本发明多层微晶玻璃电容器应用于储能 器件中， 可有效提高器件的储能密度； 且制备工 艺适合大规模推广应用。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 110828168 A 2020.02.21 CN 110828168 A 1.一种多层微晶玻璃电容器， 其特征在于， 所述多层微晶玻璃电容器为 “介质层/(电极 层/介质层)n” 的多层结构， 其中n为大于1的正整数， 介质层为微晶玻璃； 所述微晶玻璃各组 分及其质量百分比为： a(K2O-Na2O-Li2O)-b(xSrO-(1-x)BaO)-cAl2O3-dNb2O5-eSiO2-fB2O3， 0 x1， 其中， 5wt

4、a20wt， 10wtb30wt， 1wtc10wt， 20wtd 40wt， 20wte50wt， 0wtf10wt。 2.根据权利要求1所述的多层微晶玻璃电容器， 其特征在于， n个电极层中相邻电极层 交错设置， 每个电极层与介质层边缘预留1mm以上的距离。 3.根据权利要求1所述的多层微晶玻璃电容器， 其特征在于， 所述介质层的厚度为0.01 1mm。 4.根据权利要求1所述的多层微晶玻璃电容器， 其特征在于， 所述介质层采用以下方法 制备得到： 首先， 按照以下配方称取原料： a(K2O-Na2O-Li2O)-b(xSrO-(1-x)BaO)-cAl2O3-dNb2O5- eSiO2-

5、fB2O3， 0 x1， 其中， 5wta20wt， 10wtb30wt， 1wtc10wt， 20wtd40wt， 20wte50wt， 0wtf10wt， 混料， 在13001600的温 度下熔炼搅拌0.110h； 其次， 将上步熔融后的金属氧化物在13001600的温度下浇注在300600的模具 中， 然后放入退火炉中， 在300600下退火120h， 自然冷却至室温后， 取出， 得到玻璃块 体； 再次， 采用二步晶化法对得到的玻璃块体进行晶化处理： 将得到的玻璃块体置于烧结 炉中， 先以550/min的速率由室温升温至6001000， 保温030min， 然后以550/ min的速率降

6、温至50100， 进行晶化处理0.110h， 最后以0.0010.02/min的速率降 温至室温后， 取出， 得到微晶玻璃； 最后， 将微晶玻璃进行切割、 减薄、 抛光， 形成晶圆， 晶圆厚度为0.011mm， 即可得到所 述介质层。 5.根据权利要求1所述的多层微晶玻璃电容器， 其特征在于， 所述电极层为金、 银或铜， 厚度为100nm5 m。 6.一种多层微晶玻璃电容器的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 按照以下配方称取原料： a(K2O-Na2O-Li2O)-b(xSrO-(1-x)BaO)-cAl2O3-dNb2O5- eSiO2-fB2O3， 0 x1， 其中， 5

7、wta20wt， 10wtb30wt， 1wtc10wt， 20wtd40wt， 20wte50wt， 0wtf10wt， 混料， 在13001600的温 度下熔炼搅拌0.110h； 步骤2、 将步骤1熔融后的金属氧化物在13001600的温度下浇注在300600的模 具中， 然后放入退火炉中， 在300600下退火120h， 自然冷却至室温后， 取出， 得到玻璃 块体； 步骤3、 采用二步晶化法对步骤2得到的玻璃块体进行晶化处理： 将步骤2得到的玻璃块 体置于烧结炉中， 先以550/min的速率由室温升温至6001000， 保温030min， 然后 以550/min的速率降温至50100，

8、进行晶化处理0.110h， 最后以0.0010.02/ min的速率降温至室温后， 取出， 得到微晶玻璃； 步骤4、 将步骤3得到的微晶玻璃进行切割、 减薄、 抛光， 形成晶圆， 所述晶圆厚度为0.01 权利要求书 1/2 页 2 CN 110828168 A 2 1mm； 步骤5、 将步骤4得到的晶圆作为介质层， 在介质层上下表面错位制备电极； 步骤6、 将多个带电极的介质层堆叠， 然后焊接成一个整体， 得到 “介质层/(电极层/介 质层)n” 的多层结构， 其中n为大于1的正整数； 步骤7、 将步骤6焊接好的多层结构灌胶塑封， 以将堆叠的缝隙中的气体排出， 得到所述 多层微晶玻璃电容器。

9、7.根据权利要求6所述多层微晶玻璃电容器的制备方法， 其特征在于， 步骤5制备电极 的方法为涂覆金属浆料或者真空镀金属。 8.根据权利要求6所述多层微晶玻璃电容器的制备方法， 其特征在于， 步骤7所述灌胶 塑封采用的是PI类或环氧树脂类聚合物。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110828168 A 3 一种多层微晶玻璃电容器及其制备方法 技术领域 0001 本发明属于脉冲功率技术领域， 具体涉及一种多层微晶玻璃电容器及其制备方 法。 背景技术 0002 脉冲功率电容器在脉冲功率系统中应用广泛， 目前已广泛应用于地质勘探、 爆破、 雷管点火等领域。 相比其他储能技术(机械储能、 化学储能、

10、电感储能等)， 介质电容储能具 有高的功率密度和封装小型化的技术优势， 短板在于储能密度较低。 0003 传统的电容器是以介质陶瓷粉料为原料， 采用多层陶瓷电容器的工艺制备得到。 然而微晶玻璃不一样， 其采用的是高温熔融退火工艺实现， 具体工艺如图1所示， 即必须改 变传统的工艺以实现多层器件结构。 本发明主要基于微晶玻璃材料， 采用金属键合的方式， 实现多层微晶玻璃电容器的制备， 使得微晶玻璃在储能方面应用能够实现产业化。 发明内容 0004 本发明的目的在于， 针对背景技术存在的缺陷， 提出了一种多层微晶玻璃电容器 及其制备方法。 本发明方法得到的多层微晶玻璃电容器应用于储能器件中， 可有

11、效提高器 件的储能密度； 且制备工艺适合大规模推广应用。 0005 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案如下： 0006 一种多层微晶玻璃电容器， 其特征在于， 所述多层微晶玻璃电容器为 “介质层/(电 极层/介质层)n” 的多层结构， 其中n为大于1的正整数， 介质层为微晶玻璃； 所述微晶玻璃各 组分及其质量百分比为： a(K2O-Na2O-Li2O)-b(xSrO-(1-x)BaO)-cAl2O3-dNb2O5-eSiO2- fB2O3， 0 x1， 其中， 5wta20wt， 10wtb30wt， 1wtc10wt， 20wt d40wt， 20wte50wt， 0wtf10wt。 0

12、007 进一步地， n个电极层中相邻电极层交错设置， 每个电极层与介质层边缘预留1mm 以上的距离， 以防止击穿。 0008 进一步地， 所述多层微晶玻璃电容器中， 分别将靠近左侧和右侧的电极层连接并 引出， 作为电容器的两极。 0009 进一步地， 所述介质层的厚度为0.011mm。 0010 进一步地， 所述介质层采用以下方法制备得到： 0011 首先， 按照以下配方称取原料： a(K2O-Na2O-Li2O)-b(xSrO-(1-x)BaO)-cAl2O3- dNb2O5-eSiO2-fB2O3， 0 x1， 其中， 5wta20wt， 10wtb30wt， 1wtc 10wt， 20w

13、td40wt， 20wte50wt， 0wtf10wt， 混合后放入刚玉或 铂金坩埚中， 在13001600的温度下熔炼搅拌0.110h； 0012 其次， 将上步熔融后的金属氧化物在13001600的温度下浇注在300600的 金属模具中， 然后迅速放入退火炉中， 在300600下退火120h以消除应力， 自然冷却至 室温后， 取出， 得到玻璃块体； 说明书 1/4 页 4 CN 110828168 A 4 0013 再次， 采用二步晶化法对得到的玻璃块体进行晶化处理： 将得到的玻璃块体置于 烧结炉中， 先以550/min的速率由室温升温至6001000， 保温030min， 然后以5 50

14、/min的速率降温至50100， 进行晶化处理0.110h形成微晶玻璃， 最后以0.001 0.02/min的速率降温至室温后， 取出， 得到微晶玻璃； 0014 最后， 将微晶玻璃进行切割、 减薄、 抛光， 形成规则的圆形或方形的晶圆， 晶圆厚度 为0.011mm， 表面粗糙度为0.1100nm， 即可得到所述介质层。 0015 进一步地， 所述电极层为金、 银、 铜等， 厚度为100nm5 m。 0016 一种多层微晶玻璃电容器的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0017 步骤1、 按照以下配方称取原料： a(K2O-Na2O-Li2O)-b(xSrO-(1-x)BaO)-cAl2

15、O3- dNb2O5-eSiO2-fB2O3， 0 x1， 其中， 5wta20wt， 10wtb30wt， 1wtc 10wt， 20wtd40wt， 20wte50wt， 0wtf10wt， 混合后放入刚玉或 铂金坩埚中， 在13001600的温度下熔炼搅拌0.110h； 0018 步骤2、 将步骤1熔融后的金属氧化物在13001600的温度下浇注在300600 的金属模具中， 然后迅速放入退火炉中， 在300600下退火120h以消除应力， 自然冷却 至室温后， 取出， 得到玻璃块体； 0019 步骤3、 采用二步晶化法对步骤2得到的玻璃块体进行晶化处理： 将步骤2得到的玻 璃块体置于烧

16、结炉中， 先以550/min的速率由室温升温至6001000， 保温030min， 然后以550/min的速率降温至50100， 进行晶化处理0.110h形成微晶玻璃， 最后 以0.0010.02/min的速率降温至室温后， 取出， 得到微晶玻璃； 通常来说， 温度过高时间 过长都会因为晶粒异常长大引入应力(晶态与非晶态的热膨胀系数不同)或发生副反应， 直 接导致其介电性能恶化； 而本发明通过结晶学测试手段及实验优化出最佳晶化点(即二步 晶化的温度、 时间以及速率)， 确定能够晶化出目标晶相， 然后采用二步晶化法得到目标微 晶玻璃， 既保证了目标晶相的析出不含恶化性能的杂相， 又能够控制晶粒尺

17、寸及内应力的 释放； 0020 步骤4、 将步骤3得到的微晶玻璃进行切割、 减薄、 抛光， 形成规则的圆形或方形的 晶圆， 所述晶圆厚度为0.011mm， 表面粗糙度为0.1100nm； 0021 步骤5、 将步骤4得到的晶圆作为介质层， 在介质层上下表面错位制备电极； 0022 步骤6、 将多个带电极的介质层堆叠， 然后采用焊料或者扩散焊等工艺焊接成一个 整体， 得到 “介质层/(电极层/介质层)n” 的多层结构， 其中n为大于1的正整数； 0023 步骤7、 将步骤6焊接好的多层结构灌胶塑封， 以将堆叠的缝隙中的气体排出， 提高 致密度和机械强度， 即可得到所述多层微晶玻璃电容器。 002

18、4 进一步地， 步骤5制备电极的方法为涂覆金属浆料(厚膜)或者真空镀金属(薄膜)。 0025 进一步地， 步骤7所述灌胶塑封采用的是PI类(聚酰亚胺类)、 环氧树脂类等绝缘性 能好且易固化成型的聚合物。 0026 与现有技术相比， 本发明的有益效果为： 0027 本发明提供了一种多层微晶玻璃电容器及其制备方法， 本发明多层微晶玻璃电容 器应用于储能器件中， 可有效提高器件的储能密度； 且制备工艺适合大规模推广应用。 说明书 2/4 页 5 CN 110828168 A 5 附图说明 0028 图1为本发明提供的多层微晶玻璃电容器的制备方法流程图； 0029 图2为本发明实施例1得到的多层微晶玻

19、璃电容器的剖面结构示意图。 具体实施方式 0030 下面结合附图和实施例， 详述本发明的技术方案。 0031 实施例1 0032 如图2所示， 为实施例1得到的多层微晶玻璃电容器的剖面结构示意图， 包括第一 介质层1、 第一电极层2、 第二介质层3、 第二电极层4、 第三介质层5、 第三电极层6、 第四介质 层7、 第四电极层8、 第五介质层9； 其中， 第一电极层2和第三电极层6连接并引出， 第二电极 层4和第四电极层8连接并引出， 作为电容器的两极。 其中， 介质层的材料及厚度相同， 电极 层的材料及厚度相同。 0033 所述多层微晶玻璃电容器的制备工艺如下： 0034 步骤1、 按照以下

20、配方称取各原料： 6wt(K2O-Na2O-Li2O)-26wtSrO-2wtAl2O3- 30 wtNb2O5-36 wtSiO2， 配料， 混合后放入刚玉坩埚中， 在1550的温度下熔炼搅拌2h； 0035 步骤2、 待炉中温度降至1300的温度时， 将步骤1熔融后的金属氧化物浇注在温 度300的金属模具中， 然后迅速放入退火炉中， 在300下退火10h以消除应力， 自然冷却 至室温后， 取出， 得到玻璃块体； 0036 步骤3、 采用二步晶化法对步骤2得到的玻璃块体进行晶化处理： 将步骤2得到的玻 璃块体置于烧结炉中， 先以10/min的速率由室温升温至900， 保温3min， 然后以1

21、0/ min的速率降温至100， 进行晶化处理2h形成微晶玻璃， 最后以0.02/min的速率降温至 室温后， 取出， 得到微晶玻璃； 0037 步骤4、 将步骤3得到的微晶玻璃进行切割、 减薄、 抛光， 形成规则的方形晶圆， 厚度 为0.12mm， 表面粗糙度为50nm； 0038 步骤5、 将步骤4得到的晶圆作为介质层， 在介质层上下表面错位制备厚度为500nm 的金电极， 金电极距离介质层边缘1mm； 0039 步骤6、 将多个带电极的介质层堆叠， 然后采用焊料焊接成一个整体， 得到如图2所 示的多层结构； 0040 步骤7、 将步骤6焊接好的多层结构灌注PI固化， 以将堆叠的缝隙中的气

22、体排出， 提 高致密度和机械强度， 即可得到所述多层微晶玻璃电容器。 0041 实施例1步骤4得到的晶圆， 其介电常数达到50， 耐压达到80kV/mm， 储能密度达到 1.41J/cm3， 超过现有商用1J/cm3。 0042 实施例2 0043 本实施例与实施例1相比， 区别在于： 步骤4晶圆厚度调整为0.05mm， 其余步骤与实 施例1相同。 实施例2步骤4得到的晶圆， 其介电常数达到30， 耐压达到120kV/mm， 储能密度达 到1.91J/cm3。 0044 实施例3 0045 本实施例与实施例1相比， 区别在于： 步骤3晶化处理时， 将步骤2得到的玻璃块体 置于烧结炉中， 先以20/min的速率由室温升温至700， 然后以20/min的速率降温至80 说明书 3/4 页 6 CN 110828168 A 6 ， 进行晶化处理3h形成微晶玻璃， 最后以0.02/min的速率降温至室温后， 取出， 得到微 晶玻璃； 其余步骤与实施例1相同。 说明书 4/4 页 7 CN 110828168 A 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 110828168 A 8